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CN108249895A - 一种快速固化成形的陶瓷材料及其3d打印方法 - Google Patents

一种快速固化成形的陶瓷材料及其3d打印方法 Download PDF

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CN108249895A
CN108249895A CN201810053782.3A CN201810053782A CN108249895A CN 108249895 A CN108249895 A CN 108249895A CN 201810053782 A CN201810053782 A CN 201810053782A CN 108249895 A CN108249895 A CN 108249895A
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徐哲华
梅景丰
邱振江
金莹
金鑫
徐建华
金益荣
张鹤
胡旭华
罗应裕
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LONGQUAN JINHONG CERAMICS INDUSTRY Co Ltd
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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域。一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，陶瓷浆料包括：陶瓷微球75~80份，金属纤维3~4份，表面活性剂0.1~0.3份，辅助胶黏剂1~2份，水80~90份；胶黏剂包括：醋酸乙烯5~10份，甲基丙烯酸甲酯6~8份，丙烯酸丁酯9~12份，叔碳酸乙烯酯5~6份，邻苯二甲酸二丁酯3~5份，聚乙烯醇1~3份。本发明还提供了一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法：构建三维模型；将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，浆料喷头和胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。本发明具有固化成形快速，陶瓷硬度和强度高的优势。

Description

一种快速固化成形的陶瓷材料及其3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体而言涉及一种快速固化成形的陶瓷材料及其3D打印方法。
背景技术
在20世纪90年代美国麻省理工学院发明了一种三维打印技术，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。随着三维打印技术在陶瓷材料应用的研究深入，采用三维打印陶瓷器件成为现实。传统的陶瓷制作，利用陶土进行塑造成型、晾干、开模、倒坯、烧制等，所投入的时间长、资金成本大，且不易于修改。因此，3D打印出的陶瓷器件可适用于制造小批量的模型，构造复杂的器件，大大减少修改模型的时间和制造成本。
现有技术中国专利CN104339437A公开一种用3D打印技术生产陶瓷铸型的方法将陶瓷粉和黏结剂分别装入3D打印头内将需要打印铸型的三维图输入3D打印机，然后按照图纸逐层打印铸型，最终形成所需的铸型，再将整个铸型放入加热炉内对陶瓷粉和黏结剂进行烧结，形成陶瓷铸型。
然而，该现有技术在两层陶瓷粉之间铺设一层粉状的黏结剂，通过激光烧结使得新添陶瓷层与已成型的陶瓷层黏结。但该方案存在固化速度慢的缺点，在打印时陶瓷颗粒之间在固化之前容易受外力作用发生错位，一方面容易导致坯体发生形变，另一方面会导致铸件结构松散，采用该技术制得的铸件难以提高其硬度和强度。同时在打印完毕后残留的黏结剂有时会堵住打印头，从而影响到打印机的正常使用。
因此目前需要一种固化成形快速，有助于提高陶瓷硬度和强度的陶瓷材料及其3D打印方法。
发明内容
为了解决上述问题，提供一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，本发明采用以下技术方案：
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球75~80份，金属纤维3~4份，表面活性剂0.1~0.3份，辅助胶黏剂1~2份，水80~90份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯5~10份，甲基丙烯酸甲酯6~8份，丙烯酸丁酯9~12份，叔碳酸乙烯酯5~6份，邻苯二甲酸二丁酯3~5份，聚乙烯醇1~3份。
本发明采用了甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯共同作用的方案，三者混合后本身具有难以固化的特点，经过处理后形成的共聚物在常温下与空气接触4小时以上会在表面形成固化的薄膜，由此不会造成胶黏剂再喷口中发生固化从而导致管道堵塞的情况发生，而在有水的条件下与其他水性胶黏剂中的混合下与其中的亲水基团和疏水基团分别连接形成共聚物，并将水分子固定在共聚物内部，起到消除溶剂和粘结浆料中固体成分的作用，起到快速固化的效果。
作为优选，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土30~40份,高岭土10~15份，氧化铝16~23份，氧化锆10~18份，卡拉胶3~6份，聚乙烯醇7~15份。
本发明采用该种配方制备陶瓷微球，所制备的陶瓷微球具有强度高的特点。
作为优选，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
本发明采用了水性胶黏剂配合陶瓷浆料的溶剂使用使得水性胶黏剂可以和胶黏剂配合吸收浆料中的水分起到快速固化的作用。
作为优选，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
本发明使用了聚酰胺环氧氯丙烷树脂与胶黏剂可以同时作用形成共聚物，同时该反应可以快速反应吸收浆料中的水，将水锁在共聚物里面，起到固定成形的作用，加快了本发明的固化速度。
作为优选，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌20~30min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至85~89℃，保温20~30min，待溶解完毕后降温至75~77℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6~6.5h，然后加热至93~95℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
本发明采用以上方法制备胶黏剂，可以形成共聚物，有助于加快与聚酰胺环氧氯丙烷树脂的共聚反应，从而提高固化效率，使得在打印的同时发生固化反应，有助于胚体的成型，增强了打印的精度。
作为优选，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
作为优选，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
本发明采用长且纤细的金属纤维可以有效地附着在陶瓷微球的表面上，从而可以起到增强陶瓷的强度和韧性的作用。而且所用的金属纤维直径很小，不会因为纤维而发生堵塞喷头的情况。
作为优选，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过80~100目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
本发明使用浆料喷头和胶黏剂喷头同时送料，避免了传统打印方法中将浆料和胶黏剂混合后打印所导致的浆料在输送管中发生固化从而引起管道堵塞的情况发生，另外浆料和胶黏剂同时输送进行分层打印可以提高黏结效率，防止了胶黏剂分散不均而导致的坯体发生形变，铸件结构松散的情况发生。
而且有机硅树脂和所述的胶黏剂成分在空气中固化时间都在4小时以上，将两者分别储存可以防止原料在输送过程中发生固化现象，保证了打印过程可以顺利进行，但是当所述的胶黏剂和聚酰胺环氧氯丙烷树脂混合后则会在常温下快速进行交联反应形成高分子聚合物，而且可以迅速吸收浆料中的水份实现打印出的浆料的固化成型。
作为优选，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨40~50min。
本发明将陶瓷微球和金属纤维共同研磨，可以将金属纤维固定在陶瓷微球的表面，进一步加强了本发明的陶瓷的韧性。
本发明的有益效果在于：本发明具有固化成形快速，陶瓷硬度和强度高的优势。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明进行进一步解释：
实施例1
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球75份，金属纤维3份，表面活性剂0.1份，辅助胶黏剂1份，水80份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯5份，甲基丙烯酸甲酯6份，丙烯酸丁酯9份，叔碳酸乙烯酯5份，邻苯二甲酸二丁酯3份，聚乙烯醇1份。
其中，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土30份,高岭土10份，氧化铝16份，氧化锆10份，卡拉胶3份，聚乙烯醇7份。
其中，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
其中，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
其中，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌20min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至85℃，保温20min，待溶解完毕后降温至75℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6h，然后加热至93℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
其中，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
其中，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过80~100目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
其中，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨40~50min。
实施例2
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球75~80份，金属纤维3~4份，表面活性剂0.1~0.3份，辅助胶黏剂1~2份，水80~90份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯5~10份，甲基丙烯酸甲酯6~8份，丙烯酸丁酯9~12份，叔碳酸乙烯酯5~6份，邻苯二甲酸二丁酯3~5份，聚乙烯醇1~3份。
其中，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土40份,高岭土15份，氧化铝23份，氧化锆18份，卡拉胶6份，聚乙烯醇7~15份。
其中，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
其中，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
其中，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌30min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至89℃，保温30min，待溶解完毕后降温至77℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6.5h，然后加热至95℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
其中，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
其中，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过100目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
其中，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨50min。
实施例3
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球77份，金属纤维3份，表面活性剂0.1份，辅助胶黏剂1份，水82份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯6份，甲基丙烯酸甲酯6份，丙烯酸丁酯10份，叔碳酸乙烯酯5份，邻苯二甲酸二丁酯3份，聚乙烯醇1份。
其中，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土34份,高岭土12份，氧化铝16份，氧化锆12份，卡拉胶4份，聚乙烯醇8份。
其中，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
其中，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
其中，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌23min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至85℃，保温24min，待溶解完毕后降温至75℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6h，然后加热至93℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
其中，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
其中，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过82目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
其中，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨43min。
实施例4
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球77份，金属纤维4份，表面活性剂0.2份，辅助胶黏剂1份，水85份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯8份，甲基丙烯酸甲酯7份，丙烯酸丁酯11份，叔碳酸乙烯酯5份，邻苯二甲酸二丁酯4份，聚乙烯醇2份。
其中，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土35份，高岭土12份，氧化铝19份，氧化锆14份，卡拉胶5份，聚乙烯醇12份。
其中，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
其中，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
其中，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌25min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至87℃，保温25min，待溶解完毕后降温至76℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6h，然后加热至94℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
其中，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
其中，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过90目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
其中，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨45min。
实施例5
一种快速固化成形的陶瓷材料，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球79份，金属纤维4份，表面活性剂0.3份，辅助胶黏剂2份，水88份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯8份，甲基丙烯酸甲酯7份，丙烯酸丁酯11份，叔碳酸乙烯酯6份，邻苯二甲酸二丁酯4份，聚乙烯醇2份。
其中，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土38份,高岭土12份，氧化铝21份，氧化锆16份，卡拉胶5份，聚乙烯醇13份。
其中，所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
其中，所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
其中，所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌27min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至88℃，保温28min，待溶解完毕后降温至76℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6.5h，然后加热至95℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
其中，所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
其中，所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
其中，所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过90目筛。
一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
其中，在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨50min。

Claims (10)

1.一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于，包括陶瓷浆料和胶黏剂，所述的陶瓷浆料包括以下重量份的组分：
陶瓷微球75~80份，金属纤维3~4份，表面活性剂0.1~0.3份，辅助胶黏剂1~2份，水80~90份；
所述的胶黏剂包括以下重量份的组分：
醋酸乙烯5~10份，甲基丙烯酸甲酯6~8份，丙烯酸丁酯9~12份，叔碳酸乙烯酯5~6份，邻苯二甲酸二丁酯3~5份，聚乙烯醇1~3份。
2.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于，所述的陶瓷微球包括以下重量份的组分：
木岱瓷土30~40份,高岭土10~15份，氧化铝16~23份，氧化锆10~18份，卡拉胶3~6份，聚乙烯醇7~15份。
3.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的辅助胶黏剂采用水性胶黏剂。
4.根据权利要求2所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的辅助胶黏剂采用聚酰胺环氧氯丙烷树脂。
5.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的胶黏剂采用以下步骤制备：
（1）将丙烯酸丁酯，叔碳酸乙烯酯，邻苯二甲酸二丁酯混合后搅拌20~30min，直至混合液位无色透明液体；
（2）将聚乙烯醇和水混合后搅拌加热至85~89℃，保温20~30min，待溶解完毕后降温至75~77℃，然后将步骤（1）得到的混合物加入到聚乙烯醇和水的混合液中滴加过程持续6~6.5h，然后加热至93~95℃，搅拌均匀，降温过滤出料。
6.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的金属纤维采用不锈钢纤维、铝纤维、镍纤维、铜纤维、锌纤维、锡纤维、银纤维、钛纤维中的一种或多种混合。
7.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的金属纤维长径比大于20、直径小于50微米。
8.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷材料，其特征在于：所述的陶瓷微球为氮化钛陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、碳化硼陶瓷、氧化硅陶瓷中的一种或几种，所述的陶瓷微球的粒径过80~100目筛。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）构建目标零件的三维模型；
（2）将陶瓷浆料通过送料系统输送至浆料喷头，同时采用另一套系统将胶黏剂输送至胶黏剂喷头，所述的浆料喷头和所述的胶黏剂喷头同时送料，进行分层打印；
（3）将干燥后的坯体进行脱蜡、烧结。
10.根据权利要求1所述的一种快速固化成形的陶瓷的3D打印方法，其特征在于：在打印前将所述的陶瓷微球与金属纤维置于圆盘研磨机中共同研磨40~50min。
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